激光定向能量沉积技术在航空航天、核能核电、汽车制造等领域的大尺寸金属零件直接制造、修复具有广泛的应用前景,其高效、高材料利用率的特点使其在工业4.0的发展浪潮中具有极其重要的战略地位。然而,激光定向能量沉积的成型件表面质量、尺寸精度较差,使该技术的发展受到了一定的限制。将激光定向能量沉积与铣削减材技术有机结合的增减材复合制造技术有效解决了这一问题,受到了国内外越来越多研究人员的关注。本文于自主研发的机器人增减材复合制造系统上展开了激光定向能量沉积及其增减材复合制造工艺与性能的研究,主要研究内容与研究成果如下:首先,采用单因素试验法研究了扫描间距与激光定向能量沉积多道多层成型件宏观形貌、内部缺陷、拉伸性能之间的关系。研究结果表明,扫描间距为2.5 mm时,成型件在宏观形貌、内保缺陷以及拉伸性能方面均表现较好,因此选择2.5 mm作为优化的扫描间距以进行后续的研究。随后,在上述工作的基础上,搭建了超声振动辅助激光定向能量沉积试验平台。研究发现,在超声振动的辅助下,立方体试样性能没有得到显著的提升,而薄壁体试样的抗拉强度提升了10%左右,显微硬度提升了5%左右,且硬度的分布变得更加均匀。然后,采用正交试验法,以表面粗糙度Sa和材料去除率为优化指标,优化铣削工艺参数。综合考虑表面粗糙度与材料去除率,选取优化的铣削工艺参数为主轴转速3600r/min、进给速度5 mm/s、铣削深度0.3 mm、铣削宽度4 mm;随后,研究了通过增减材交替加工与先增材后减材两种工艺路线制备的试样性能之间的差异。研究发现,两种工艺路线均能显著提升成型件的尺寸精度与表面质量,且两种工艺路线所制试样在力学性能方面无明显差异,此外,增减材交替处上下层冶金结合良好,说明增减材交替加工不会对成型件造成不良的影响,证明了机器人增减材复合制造技术的可行性。最后,以核电领域典型的阀门模具为研究对象,进行机器人增减材复合制造应用验证。通过机器人增减材复合制造系统制造的阀门模具在尺寸精度方面,长225±0.17 mm,宽150±0.13 mm;在表面质量方面,表面粗糙度Ra 0.37±0.03μm,实现了零部件的高尺寸精度、高表面质量直接制造,为核电领域阀门的制造提供了新的方法。